用尺度不变 FIMP 探测 BBN 前时期

由于所涉及耦合的微小，在实验室中通过 freeze-in（冻结入）探测暗物质（DM） relic 是困难的。然而，在 Big Bang Nucleosynthesis（BBN，大爆炸核合成）之前的非标准宇宙学历史可以极大地改变这一情形。在此背景下，我们研究了标准模型（SM）的经典尺度不变 $U(1)_X$ 规范扩展中暗物质的 freeze-in 产生，该扩展最近被称为 Scale Invariant FIMP Miracle（尺度不变 FIMP 奇迹）。我们假设在早期有一个额外物种主导宇宙的能量密度，导致给定温度下的膨胀率大于标准辐射主导情形下的膨胀率。我们发现，涉及热浴中粒子的 out-of-equilibrium（非平衡）散射过程在这一时期导致 DM 产生被显著抑制，从而增强可见 sector 与暗 sector 之间的耦合（数个数量级）以满足观测到的 DM 丰度，进而改善 freeze-in 的探测前景。底层理论的尺度不变性使模型中仅留下四个自由参数：DM 质量 $m_X$、规范耦合 $g_X$、从早期标量主导到辐射主导时期的转变温度 $T_R$，以及该温度的幂律依赖 $n$。我们表明，在这一最小设定内，像 FASER、MATHUSLA、DUNE、SHiP 这样的实验将探测依赖于 $\{n,\,T_R\}$ 选择的各类宇宙学模型，这些模型同时满足 PLANCK 观测的 relic 密度界限。此外，由于存在一个自然轻的标量 mediator，DM 在 XENON1T、PandaX-4T 或 XENONnT 上的直接探测对于 Higgs-标量混合 $\sin\theta\simeq\{10^{-5}-10^{-3}\}$ 变得相关，从而为 freeze-in 以及非标准 BBN 前宇宙学时期提供互补探针。